En el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología en Seúl, un grupo de investigadores ha estado luchando con una de las limitaciones más incómodas de la química del hidrógeno verde. Para dividir el agua en sus gases constituyentes, se necesitan dos reacciones separadas que se ejecuten simultáneamente (una en el cátodo que libere hidrógeno, otra en el ánodo que libere oxígeno) y, hasta hace poco, han exigido dos tipos completamente diferentes de catalizadores para impulsarlas. Esa redundancia cuesta dinero, complica el diseño de los electrodos y quema iridio y platino a velocidades que hacen que el despliegue a escala comercial parezca una ambición lejana.
La solución a la que llegó el equipo de KIST suena casi inverosímilmente ordenada: un único catalizador que maneja ambas reacciones a la vez, construido a partir de átomos de iridio individuales dispersos tan finamente sobre un soporte metálico que se necesita un microscopio electrónico para confirmar que realmente están allí.
La electrólisis del agua es, sobre el papel, una propuesta sencilla. Aplica electricidad al agua y se divide. El hidrógeno burbujea de un electrodo y el oxígeno del otro. Impulsado por energía solar o eólica, el proceso produce hidrógeno verde sin un átomo de carbono a la vista. El problema es la química en cada electrodo. La reacción de desprendimiento de hidrógeno, o HER, y la reacción de desprendimiento de oxígeno, OER, se rigen por cinéticas fundamentalmente diferentes. Las condiciones alcalinas (el entorno operativo más barato) ralentizan el lado del hidrógeno en dos o tres órdenes de magnitud en comparación con los sistemas ácidos, porque la molécula de agua primero debe romperse antes de que se pueda liberar hidrógeno. El lado del oxígeno exige una transferencia de electrones de cuatro pasos a través de múltiples compuestos intermedios, lo que requiere sobrepotenciales que superan los 300 milivoltios incluso en sistemas de última generación. El platino maneja bien la reacción del hidrógeno. El óxido de iridio gestiona el lado del oxígeno. Ninguno de los dos funciona adecuadamente y necesitas cantidades sustanciales de cada uno.
Que es precisamente lo que hace que valga la pena prestar atención al resultado de KIST, publicado en Advanced Energy Materials.
El catalizador recibe la denominación Ir@Mn-Ni-PA. El andamio es un hidróxido doble en capas, una clase de materiales con estructuras en forma de láminas y química sintonizable, construido a partir de níquel y manganeso. El ácido fítico, un compuesto natural de las semillas de las plantas, se utiliza para modificar la superficie. Sus grupos fosfato actúan como puntos de anclaje, agarrando químicamente iones de iridio de la solución y manteniéndolos en su lugar individualmente, un átomo a la vez, durante una síntesis hidrotermal suave. El resultado es una nanomatriz jerárquica: una estructura porosa y humectable con átomos de iridio separados de sus vecinos por distancias medidas en ångströms.
Lo que hace que los átomos individuales sean útiles, en lugar de grupos o nanopartículas, es que cada átomo se convierte en un sitio activo en lugar de quedar enterrado dentro de un material a granel inerte. Un trozo de iridio utiliza la mayoría de sus átomos de forma derrochadora. Esparce la misma cantidad por una superficie átomo a átomo, y cada uno podrá participar en la reacción. El catalizador del equipo KIST contiene iridio en sólo un 1,42 por ciento atómico, una fracción de la carga de los electrodos convencionales de metales preciosos.
Las cifras de las pruebas electroquímicas son sorprendentes. Para HER, Ir@Mn-Ni-PA requirió sólo 65 milivoltios de sobrepotencial para alcanzar una densidad de corriente de referencia de 10 miliamperios por centímetro cuadrado, cerca de los 47 milivoltios que necesitan los catalizadores comerciales de platino y carbono, y muy por debajo de los 302 milivoltios exigidos por el soporte simple de níquel-manganeso sin iridio. Para los REA, alcanzó 272 milivoltios, superando al dióxido de rutenio comercial, que necesitaba 364 milivoltios. Aún más revelador es lo que ocurrió con corrientes más altas: a 100 miliamperios por centímetro cuadrado para HER, Ir@Mn-Ni-PA necesitó sólo 132 milivoltios, mientras que el platino-carbono necesitó 201 milivoltios y abandonó. Los electrolizadores industriales deben funcionar a altas densidades de corriente para ser económicamente viables, y ahí es precisamente donde los catalizadores convencionales tienden a desmoronarse.
Comprender por qué funciona el catalizador requirió química computacional. Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad revelaron que la incorporación de átomos de iridio reduce la banda prohibida del soporte de níquel-manganeso, mejorando la conductividad de los electrones en todo el material. De manera más sutil, la carga se redistribuye alrededor de los sitios de iridio: el centro de la banda d de los átomos de iridio se desplaza más lejos del nivel de Fermi que en los grupos de iridio metálico. Ese cambio es importante debido a un principio conocido como principio de Sabatier: un catalizador une sus intermediarios de reacción ni con demasiada fuerza ni demasiado débilmente. El iridio metálico se une al hidrógeno con demasiada fuerza. El entorno electrónico modificado en Ir@Mn-Ni-PA produce una energía libre de adsorción de hidrógeno casi óptima de -0,06 electronvoltios, casi exactamente cero, que es el punto óptimo teórico para HER.
El dopante de manganeso desempeña su propio papel. Ajusta las energías de adsorción de los intermedios que contienen oxígeno en REA, mientras que su comportamiento redox reversible ayuda a generar una fase de oxihidróxido de níquel catalíticamente activa en condiciones operativas. La espectroscopia Raman in situ confirmó esta transformación de la superficie en funcionamiento: por encima de 1,3 voltios, el hidróxido de níquel en el catalizador se convierte en oxihidróxido de níquel, especie que en realidad realiza la química del oxígeno. Los átomos de iridio mejoran este proceso mediante el acoplamiento electrónico con el soporte, en lugar de actuar como centros catalíticos independientes.
La modificación con ácido fítico también hace que la superficie del electrodo sea mucho más amante del agua. Las mediciones del ángulo de contacto mostraron que la superficie pasó de 79 grados (modestamente hidrófila) a 12 grados después del tratamiento con ácido fítico. Esa superficie casi superhidrófila atrae el electrolito profundamente hacia la estructura porosa y ayuda a que las burbujas de gas se desprendan limpiamente, evitando el bloqueo que degrada el rendimiento a altas densidades de corriente.
La durabilidad es donde los catalizadores de hidrógeno suelen fallar. El equipo de KIST probó el catalizador en un electrolizador de agua con membrana de intercambio aniónico (una arquitectura de dispositivo que combina la eficiencia de los sistemas de membranas de intercambio de protones con las ventajas económicas de la química alcalina) en condiciones industrialmente relevantes durante 300 horas. El electrodo mantuvo un rendimiento estable en todo momento, con una tasa de caída de voltaje de sólo 77 microvoltios por hora. En particular, la celda mejoró durante el período de prueba: después de 300 horas, entregaba 2,03 amperios por centímetro cuadrado a 2,0 voltios, frente a los 1,64 amperios al principio, mientras el catalizador continuaba activándose. Los electrodos comerciales de platino-carbono perdieron casi el 40 por ciento de su corriente en 28 horas en condiciones comparables.
“Este trabajo es muy significativo ya que resuelve las dos reacciones esenciales para la producción de hidrógeno utilizando un único catalizador y al mismo tiempo reduce el consumo de metales preciosos”, afirmó el Dr. Na Jongbeom, quien dirigió la investigación. “Esta tecnología acelerará la comercialización de dispositivos de electrólisis de agua y brindará un apoyo sustancial para expandir la energía del hidrógeno”.
Una decisión clave de ingeniería contribuyó a las mejoras en el rendimiento. En lugar de mezclar el catalizador con un aglutinante polimérico y recubrirlo sobre un electrodo, el equipo cultivó el material directamente sobre soportes de espuma de níquel durante la síntesis. Los aglutinantes bloquean los sitios activos y se deslaminan bajo operación prolongada; el enfoque de crecimiento directo elimina ambos problemas al tiempo que mejora el contacto eléctrico entre el catalizador y el sustrato. Cuando el equipo comparó el crecimiento directo con los polvos recubiertos por pulverización en celdas de electrolizadores reales, la ventaja de rendimiento fue sustancial.
El hidrógeno verde sigue siendo costoso en comparación con las alternativas derivadas de fósiles, y el costo de los catalizadores es una fracción significativa de esa brecha. La carga de metales preciosos en los electrolizadores comerciales actuales representa tanto una restricción financiera como una vulnerabilidad de la cadena de suministro: el iridio es uno de los elementos más raros en la corteza terrestre. Una arquitectura de catalizador que ofrece un rendimiento competitivo o superior con una fracción de la carga de metal aborda ambos problemas simultáneamente. Queda por demostrar si Ir@Mn-Ni-PA puede sobrevivir a la transición de celdas de laboratorio a pilas industriales a gran escala, con sus presiones más altas, cargas variables y demandas operativas de años. Pero el principio subyacente, que la ingeniería a nivel atómico puede extraer más funciones de menos material, apunta hacia una economía del hidrógeno que en realidad podría ser asequible de construir.
Enlace del estudio: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202506645
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